長江漫灘地層深大基坑開挖設計及穩定性分析

王龍飛

（中鐵十五局集團城市軌道交通工程有限公司，河南 洛陽 471002）

目前，城市地鐵車站深基坑工程具有建設規模較大，較為復雜的結構形式及組成，周邊環境、地下管線復雜密集等特點，同時，車站深大基坑開挖施工過程中對土層造成擾動，易導致軟弱土層局部塌陷。因此，基坑開挖施工過程中，地表沉降變形控制尤為重要，據此，選擇合適的基坑開挖施工技術較關鍵。目前，國內外學者對地鐵車站深基坑的開挖施工技術進行了系列研究[1-5]。研究成果多數是針對于黏土和礫石等地層條件下深大基坑的開挖方法的研究，具有一定的理論體系和較為成熟的工藝，但長江漫灘復雜地層條件下的深大基坑的開挖方法、開挖參數及其穩定性分析缺乏系統的研究，本文通過對南京地鐵9 號線濱江公園站深基坑，研究分析其開挖設計參數及穩定性，為類似工程提供經驗參考。

1 工程概況

1.1 設計概況

濱江公園站位于奧體大街與揚子江大道交叉口處，島式站臺，地下二層雙跨框架結構（局部雙柱三跨）。開挖基坑長478m，寬19.7m，深度為16.09～17.89m，明挖法施工，采用0.8m 厚地下連續墻作為圍護結構，東側挖至中風化泥巖層中，墻長55.0～56.5m，西側挖至粉細砂層中墻長33.6～36.5m。[6]（圖1）

圖1 地鐵車站平面圖

1.2 工程地質及水文條件

濱江公園站基坑地層情況從地表依次為：人工填土、沖淤積黏土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉細砂、中粗砂、礫石、砂質泥巖。車站范圍內無地表水分布。[6]各土層參數如表1 所示。

表1 各土層物理力學性能參數

1.3 周邊環境

車站周邊環境相對復雜，與揚子江大道平行，上方為江蘇大劇院廣場（北端），東側約20m 為奧體新城隧道。同時，地下管線也較多，多數分布在江蘇大劇院廣場，少數分布在車站南端。[6]

2 深大基坑分層長臺階開挖方案

2.1 豎向分層，縱向分段開挖

分層長臺階放坡開挖法按照“時空效應”原理，對坑內土體合理切割，進行分區域分塊開挖。

2.2 先支撐后開挖

開挖臺階長度L 應控制在一定范圍內，各開挖段作業完成后應及時架設支撐，防止基坑處于長時間無支護狀態。

2.3 橫向分單元放坡開挖

每層土方開挖時在橫向對開挖土體進行單元劃分，進一步控制開挖土體單元大小。開挖按“先中間后向兩邊擴展”的順序進行放坡開挖。

3 漫灘地層深大基坑開挖參數與穩定性分析

本文采用有限元數值模擬軟件，利用強度折減法對深基坑開挖參數及其穩定性進行分析。

3.1 計算模型及參數選取

根據對稱性，建立1/2 無支護狀態基坑平面應變模型，對不同開挖深度、臺階長度與放坡角度下的穩定性分析，確定基坑安全合理開挖參數。根據圣維南原理，有限元模型尺寸取50m×60m，底邊和側邊均采用約束方向位移的位移邊界條件，見圖2 所示。

圖2 基坑計算斷面模型

3.2 豎向土層開挖高度H 對基坑穩定性影響

為確定豎向土層開挖高度H 的合理范圍，分別取2m、5m、6m、8m 的開挖深度依次對基坑穩定安全系數進行求解。

當垂向土層開挖高度為2m 時，基坑處于安全狀態，安全系數Fs 為1.82。隨著開挖高度H 的增加，Fs 呈減小趨勢，H 為5m 時，基坑穩定安全系數為1.2。當開挖高度H 大于5m 后，Fs 減小并逐漸小于1，如圖3 所示。

圖3 垂向分層開挖高度H 對基坑安全穩定影響曲線

分析結果表明，基坑開挖安全穩定系數隨開挖高度H 的增加而減小。其中，穩定安全系數Fs 在0＜H≤5m 區間內大于1，基坑處于穩定狀態；當開挖深度H＞6m，安全系統Fs＜1，基坑處于失穩狀態。因此，分層長臺階放坡開挖法的垂向分層區間高度在2m≤H≤5m 區間能夠有效保證基坑各層土方開挖時的安全穩定。

3.3 縱向分段長度L 對基坑穩定性影響

為確定縱向分段開挖長度L 的合理范圍，分別取6m、8m、10m、12m、14m、16m、18m 的開挖長度，依次對基坑穩定安全系數進行求解，基坑開挖深度取5m。

由圖4 可知，隨著縱向分段長度的增加，基坑安全穩定系數Fs 呈遞減趨勢。當6m＜L＜14m 時，Fs 遞減較為迅速，表明在此長度范圍內，L 的變化對基坑穩定較為明顯。當14m＜L＜18m 時，Fs 變化不顯著，隨著L 的增加，開挖邊坡上下逐漸形成了貫通的破壞滑動面。施工過程中，應盡可能使基坑處于穩定狀態，因此，分段開挖長度建議取值6m≤L＜14m。

圖4 縱向分段長度L 對基坑安全穩定影響線

3.4 放坡比例對基坑穩定性影響

為確定開挖土層放坡比例的合理范圍，分別取1：3、1：2、1：1、1：0.75、1：0.5 的放坡比例依次對基坑穩定安全系數進行求解，基坑開挖深度H=5m，縱向分段長L=12m。

由圖5 可知，隨著基坑開挖放坡比例的增加，基坑穩定安全系數Fs 呈遞減趨勢。當開挖放坡比例為1：3 時，Fs 為3.22，當開挖放坡比例為1：0.5 時，Fs 為1.8，同比減小44%。其中，當放坡比例在1：3-1：1 之間時，Fs 遞減速度相對較大，說明放坡比例的變化對基坑穩定性影響較為顯著；在1：1-1：0.5 區間時，Fs 遞減速度較低。考慮到施加施工過程中基坑開挖邊坡易受雨水沖刷，實際放坡比例建議取小于等于1：2。

圖5 放坡比例對基坑安全穩定影響曲線

4 周邊建筑物及地表沉降變形分析

濱江公園地鐵車站穿越較厚軟弱地層，周邊環境復雜，基坑土方開挖安全施工尤為重要，采用上述開挖設計，進行車站基坑開挖施工。基坑開挖期間對周邊地表沉降及建筑物沉降變形進行分析。基坑開挖施工對周邊建筑物和地表產生的沉降變形如圖6 所示。

由圖6 可知，采用該開挖設計參數，在實際基坑開挖施工過程中，減弱了對周邊土層的擾動，進一步阻止了上層軟弱土坍塌，最終使得地表沉降降低。周邊建筑物在基坑開挖施工階段最大沉降量僅為2.8mm，地表最大沉降量僅為11.5mm，均滿足設計要求。根據現場監測數據地下連續墻墻體變形，均滿足設計要求。

圖6 周邊建筑物及地表沉降沉降曲線

5 結論

本文以南京地鐵9 號線濱江公園車站基坑開挖工程為例，對長江漫灘地層條件下深大基坑開挖參數及穩定性進行分析研究，并提出了在此種地質條件下的基坑土方開挖設計，得出如下結論。

5.1 車站基坑穿越較厚軟弱地層，地層條件及周邊環境復雜，地表沉降控制嚴格時，宜采用豎向分層，縱向分段的“拉馬道式”開挖方式。

5.2 漫灘復雜地質條件下，豎向分層開挖深度宜取2m≤H≤5m；縱向分段長度宜取6m≤L＜14m；開挖放坡比例宜取1：2 及以下。